Файл: ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ.pdf

56 

Глава 5 

АЛКАНЫ 

Алканами  называются  углеводороды,  в  которых  все  валентности 

атомов  углерода,  не  затраченные  на  образование  простых  С–С-связей, 
насыщены  атомами  водорода.  Атомы  углерода  в  алканах  насыщены 
атомами водорода до предела, поэтому их называют предельными, или 
насыщенными  углеводородами.  Их  также  называют  парафинами  от  ла-
тинского  сочетания  parum  affinitas,  что  означает  «мало  сродства».  По-
следнее название характеризует низкую реакционную способность это-
го класса соединений. 

5.1. Гомологический ряд алканов 

Первым  представителем  гомологического  ряда  алканов  является 

метан CH

4

. Если в метане заменить один атом водорода группой атомов 

СН

3

,  то получится следующий  представитель  ряда  –  этан  и  т.д.  Назва-

ния и формулы некоторых алканов представлены в табл. 5.1. 

Таблица 5.1 

Названия и формулы некоторых алканов 

Формула 

Название 

Формула 

Название 

CH

4

метан 

C

9

H

20

нонан 

C

2

H

6

этан   

C

10

H

22

декан 

C

3

H

8

пропан 

C

11

H

24

ундекан

C

4

H

10

бутан   

C

12

H

26 

додекан

C

5

H

12

пентан   

C

13

H

28

тридекан 

C

6

H

14

гексан 

C

14

H

30

тетрадекан 

C

7

H

16  

гептан 

C

16

H

34

гексадекан

C

8

H

18

октан 

C

20

H

42

эйкозан 

Видно,  что  углеводород  данного  ряда  отличается  по  составу  от 

других членов ряда на одну или несколько групп –CH

2

–. Эту группу на-

зывают гомологической разностью.  

Гомологическим  рядом  называют  совокупность  органических  со-

единений,  обладающих  сходным  строением  и  свойствами  и  отличаю-
щихся  друг  от  друга  по  составу  на  одну  или  несколько  групп  –CH

2

–. 

Представители одного гомологического ряда называются гомологами.  

Общая формула ряда алканов – C

n

H

2n+2

.  

57 

5.2. Строение метана  

Простейшим  представителем  ряда  алканов  и,  конечно,  одним  из 

простейших органических соединений является метан CH

4

.  

Каждый из четырех атомов водорода в метане связан с атомом уг-

лерода  ковалентной  связью,  т.е.  за  счет  общей  электронной  пары.  Как 
уже говорилось в главе 2, в насыщенных углеводородах тип гибридиза-
ции атомных орбиталей углерода – sp

3

. Связывающие sp

3

-орбитали ато-

ма  углерода  направлены  к  углам  тетраэдра.  При  таком  расположении 
орбитали максимально удалены друг от друга. Для образования наибо-
лее прочной связи с атомами водорода необходимо, чтобы ядра атомов 
водорода  располагались  в  углах  тетраэдра.  Углы  между  связями  – 
109°28'

(рис. 5.1).  

Рис. 5.1. Модель молекулы метана 

5.3. Строение гомологов метана. Конформации 

Строение других алканов определяется типом гибридизации орби-

талей  атома  углерода.  Связи  углерод – углерод  образованы  перекрыва-
нием sp

3

-орбиталей. Длина связи составляет 0,154 нм. Цепочка углерод-

ных  атомов  не  линейна,  а  зигзагообразна  из-за  угла  между  связями 
109°28',  причем  вокруг  связи  С–С  возможно  относительно  свободное 
вращение, что приводит к существованию поворотных изомеров (кон-
формеров). Конформеры, или конформации, – это различные положе-
ния  атомов  одной  молекулы  в  пространстве,  которые  могут  взаимно 
превращаться  друг  в  друга  путем  вращения  вокруг  простых  углерод-
углеродных связей. 

Эти  конформации  могут  быть  изображены  разными  способами  – 

с помощью перспективных формул (рис. 5.2) и с помощью так называе-
мых проекций, или формул Ньюмена (рис. 5.3): 

58 

Рис. 5.2. Перспективные формулы двух конформаций этана 

Рис. 5.3. Формулы Ньюмена для двух конформаций этана: 

а – заторможенная, б – заслоненная 

 
В  заслоненной  конформации  молекулы  этана  расстояния  между 

водородными атомами минимальны, а в заторможенной – максимальны. 
В  заслоненной  конформации  потенциальная  энергия  отталкивания  бу-
дет больше, однако разница энергии составляет всего 12 кДж/моль, по-
этому переход из одной конформации в другую осуществляется  легко, 
и выделить их в качестве отдельных устойчивых изомеров нельзя. 

Для бутана энергетический барьер для перехода из одной конфор-

мации в другую может составлять от 18 до 26 кДж/моль. 

При обычных температурах различные поворотные изомеры алка-

нов  свободно  переходят  друг  в  друга  за  счет  вращения  относительно 
связей С–С. 

5.4. Изомерия алканов 

Для  алканов  возможны  два  вида изомерии:  структурная и  оптиче-

ская. Об этих видах изомерии говорилось в гл. 2. 

Структурная  изомерия  или  изомерия  углеродного  скелета  для  ал-

канов начинается с бутана С

4 

Н

10

. Для него известны два изомера: нор-

мальный  бутан  –  соединение  с  неразветвленной  углеродной  цепью  
и изобутан, имеющий разветвленную углеродную цепь: 

59 

Для вещества состава С

5

Н

12

 известны три изомера: 

С  увеличением  числа  углеродных  атомов  в  молекуле  возрастает 

и число теоретически возможных изомеров. Так, для гексана оно состав-
ляет 5, для гептана – 9, для октана – 18, для нонана – 35, для декана – 75, 
а для эйкозана (С

20

Н

42

) – 366319. 

В качестве алкана с хиральным (асимметрическим – *) атомом, су-

ществующего  в  виде  двух  зеркальных  изомеров,  можно  предложить  
3-метилгексан: 

CH

3

CH

2

CH CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

*

C

3

H

7

H

3

C

C

2

H

5

H

C

2

H

5

C

3

H

7

H

H

3

C

энантиомеры 3-метилгексана

5.5. Типы углеродных атомов 

Каждый атом углерода в молекуле алкана принято классифициро-

вать с точки зрения числа связанных с ним других углеродных атомов. 
Различают 4 типа атомов углерода: 



первичный углеродный атом связан только с одним другим ато-

мом углерода; 



вторичный  углеродный  атом  связан  только  с  двумя  другими 

атомами углерода; 



третичный  углеродный  атом  связан  только  с  тремя  другими 

атомами углерода; 



четвертичный углеродный атом связан с четырьмя атомами уг-

лерода. 

Рассмотрим это на примере 2,2,4-триметилпентана (изооктана): 

60 

CH

3

CH

CH

2

C

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

первичный

вторичный

Обозначения типов атомов углерода:

третичный

четвертичный

 
Аналогично  классифицируют  атомы  водорода,  их  обозначают  как 

первичные, вторичные или третичные, в зависимости от типа атома уг-
лерода,  с  которым  они  связаны.  В  приведенной  формуле  первичных 
атомов водорода – 15 (они связаны с пятью первичными атомами угле-
рода), вторичных атомов водорода – 2. 

Такая  классификация  используется  при  рассмотрении  относитель-

ной реакционной способности различных частей молекулы алкана. 

5.6. Номенклатура алканов 

Первые четыре алкана названы – метан, этан, пропан и бутан. Эти на-

звания, наряду с названиями изобутан, неопентан, считаются случайными, 
или тривиальными. Начиная с пятого члена ряда, названи я алканов про-
исходят  от  названия  греческих  числительных,  обозначающих  число  ато-
мов углерода в молекуле с добавлением общего для всего гомологическо-
го ряда алканов окончания -ан, например: С

5

 – пентан, С

8

 – октан и т.д. 

Приставка  н-  (н-пентан)  используется  для  обозначения  неразветв-

ленных алканов независимо от величины; приставка  изо – для алканов 
с шестью  или  менее  атомами  углерода,  имеющих  только  одну  метиль-
ную  группу  у  второго  по  счету  атома  углерода  (СН

3

)

2

СН–,  например 

изогексан: 

CH

3

CH CH

2

CH

3

CH

2

CH

3

изогексан

Приставка нео- используется, если в составе молекулы присутству-

ет  группировка  (СН

3

)

3

С–  на  конце  неразветвленной  прямой  цепи,  на-

пример неогексан: 

CH

3

C

CH

2

CH

3

неогексан

CH

3

CH

3

Существует  два  способа  составления названий  алканов:  по  рацио-

нальной номенклатуре и систематической (IUPAC) номенклатуре.